5大学生电子设计竞赛系列讲座基础篇

大学生电子设计竞赛系列讲座根底篇报告人：刘开华2021年11月各位指点、教师上午好！第一部分概述第二部分根底知识第三部分根本技艺第四部分设计举例报告内容第一部分概述大学生电子设计竞赛标题涉及的知识面很广，几乎涵盖了信息技术类各领域的内容。其中根底知识和根本技艺的特点是极其重要，又非常容易被教师和同窗们忽略。重要是由于：1、是有以根底知识为主要内容的竞赛试题。像宽带放大器、功率放大器和从2021年开场添加的综合测评都是以根底知识为主；2、是各类标题中均包含根底知识的内容；3、根本技艺是参与电子设计竞赛的必备才干。容易被忽略是由于：这些知识或技艺太根底了，加之涉及的内容广泛、培训时间有限、训练过程枯燥乏味等诸多要素使多数参赛学生们只能做到一知半解。结果竞赛时，学生们思绪窄、入门慢，设计不尽合理，目的上不去，或在规定的时间内完成的作品不稳定、不完好，呵斥测试失败，甚至全军覆没。因此，在参与竞赛的培训过程中，一定要加强对根底知识和根本技艺的培训和训练。虽然这是老生常谈，但一定要引起各位指点教师的注重，认仔细真的预备、扎扎实实的训练。第二部分根底知识归纳起来，根底知识应包含以下几方面的内容：一、模拟与数字电路的根本知识1.根本放大器2.功率放大器3.滤波器4.根本组合逻辑电路与时序逻辑电路根底知识的范畴5.FPGA电路6.A/D,D/A电路7.运算放大器运用电路8.常用传感器电路9.电源电路10.简单的信息处置知识与算法根底知识的范畴二、最小系统1.处置器〔包含贮藏一些根本的通用软件模块〕2.接口电路3.外设电路根本知识的范畴第三部分根本技艺一、电路设计根本技艺1.印刷电路板设计通常采用Protel绘图软件，需求了解元件器的规格、尺寸；对各电路模块合理规划。2.元器件选择熟习各种根本元器件和常用的集成电路芯片的特性。根本技艺3.焊接焊接和连线：可靠、规整、方便衔接。4.构造电路模块化设计，利于调试与缺点检查；接口要方便且留有足够的测试点；应将系统的各个电路模块固定在一个框架〔或平板〕构造上，添加电路的可靠性；留意实验台的整洁，规范操作。根本技艺电动车跷跷板2007年大学生电子设计竞赛全国一等奖根本技艺单工无线呼叫系统2005年大学生电子设计竞赛全国二等奖根本技艺二、根本仪器运用与电路调试1．常用仪器：万用表、稳压电源、信号发生器、示波器、频谱仪、逻辑分析仪等仪器的运用。2．调试根本技艺系统设计与制造的过程：1.方案设计；2.电路模块设计；3.元器件选择与购买；4.PCB幅员设计〔元器件规划〕；5.元器件、电路板检查；6.焊接；7.分模块调试，联调。根本技艺这里特别要提示大家的是，在培训中应高度留意学生科学研讨素质的培育。经过培训使学生初步养成：实事求是的任务原那么、一丝不苟的任务态度、勤于思索的任务方法、百折不饶的任务精神和精益求精的任务作风。根本技艺三、报告撰写按照要求，重点引见方案比较、电路模块设计、器件选择、实际推导、软件流程图、调试方法、运用仪器、测试结果〔数据和波形〕、结果分析、参考资料。普通电路图和程序可作为附录放在后面。再有就是格式规范，内容全面，详略得当，围绕要求下笔，常识性或无关紧要的内容尽量简述。根本技艺第四部分设计举例一、义务设计并制造一个宽带放大器。二、要求1、根本要求〔1〕输入阻抗≥1kΩ；单端输入，单端输出；放大器负载电阻600Ω。〔2〕3dB通频带10kHz～6MHz，在20kHz～5MHz频带内增益起伏≤1dB。〔3〕最大增益≥40dB，增益调理范围10dB～40dB〔增益值6级可调，步进间隔6dB，增益预置值与实测值误差的绝对值≤2dB〕，需显示预置增益值。〔4〕最大输出电压有效值≥3V，数字显示输出正弦电压有效值。〔5〕自制放大器所需的稳压电源。例一宽带放大器〔2003年〕2、发扬部分〔1〕最大输出电压有效值≥6V。〔2〕最大增益≥58dB(3dB通频带10kHz～6MHz，在20kHz～5MHz频带内增益起伏≤1dB)，增益调理范围10dB～58dB〔增益值9级可调，步进间隔6dB，增益预置值与实测值误差的绝对值≤2dB〕，需显示预置增益值。〔3〕添加自动增益控制〔AGC〕功能，AGC范围≥20dB，在AGC稳定范围内输出电压有效值应稳定在4.5V≤Vo≤5.5V内〔详见阐明4〕。〔4〕输出噪声电压峰-峰值VoN≤0.5V。〔5〕进一步扩展通频带、提高增益、提高输出电压幅度、扩展AGC范围、减小增益调理步进间隔。〔6〕其它。例一宽带放大器〔2003年〕三、分析与设计首先分析标题的考核点。该标题的难点在于同时要求宽带、高增益且步进可调〔20KHz—5MHz频段内增益≥60dB，至少9级可调〕和高输出电平〔600Ω负载上的输出电压有效值到达6V〕，以及自动增益控制〔AGC〕功能。关键是增益与带宽的关系、增益可调和较高的输出电压。例一宽带放大器〔2003年〕根据标题要求，系统应采用途置器加模拟放大器的技术方案。由于处置器电路属于最小系统，这里不再详细引见，而主要引见模拟放大关键电路设计与功能实现。1、方案设计分立器件集成运算放大器集成运算放大器+分立器件目前根本以采用后两种方式为主。例一宽带放大器〔2003年〕2、带宽和增益设计选择集成运放的方案之后，首先挑选宽带运放，如AD603、AD818等，其带宽在较高增益时，仍满足要求。实现增益高且可调〔AGC功能〕的要求，可以：〔1〕利用继电器〔模拟开关〕改动反响电阻。〔2〕利用数字电位器改动反响电阻。〔3〕利用DA转换器的电阻网络，结合运放实现增益可调。4．采用集成可变增益运算放大器芯片，如AD603。5．采用数字可变增益放大器。例一宽带放大器〔2003年〕在03年的竞赛中，选择最多的是AD603。AD603有三种任务方式。方式一，90M宽带，增益范围：-10dB--+30dB；方式二，30M宽带，增益范围：0dB--+40dB；方式三，9MHz带宽，增益范围：10dB--+50dB。各种任务方式均可满足6MHz带宽的要求，但是单级放大器的增益不满足≥60dB的目的，需求采用两级AD603级联的方式构成高增益放大器。例一宽带放大器〔2003年〕输入阻抗设计：由于AD603的输入阻抗为100Ω，如到达Ri≥1KΩ的要求，前面需求加缓冲级电路。可以采用分立的晶体管射随器，也可以采用宽带、高速运算放大器，如AD818，OPA642等。例一宽带放大器〔2003年〕输出电路设计：AD603的输出电压为有效值2V左右。为了到达输出有效值6V的要求，在两级AD603之后，需求添加一级放大。可以选择两级晶体管构成的对称互补放大器，也可以选择集成运放，如AD818。输入和输出级电路设计，普通均参考成熟电路，如有能够，在培训时要实践制造一下。例一宽带放大器〔2003年〕例一宽带放大器〔2003年〕张展，余涵，张安安，电子世界，2004.3增益调整实现经过在AD603的控制电压输入管脚施加模拟控制信号VG可实现其增益调整。AD603的VG信号在-500mv--+500mv范围内变化时，可实现40dB/V(即25mv/dB)线性增益控制，增益G〔dB〕=40VG+G0i(i=1,2,3)。G0i对应三种任务方式。所以可利用途置器控制一只DAC输出模拟电压信号，实现准确的增益控制。例一宽带放大器〔2003年〕AGC功能实现放大器的AGC功能可经过将输出电压信号取回并数字化，由单片机按照要求的AGC传输特性曲线生成控制信号，经DAC转换成模拟信号VG，保送给AD603的增益控制脚，实现AGC功能。例一宽带放大器〔2003年〕系统噪声控制措施主要是在第一级放大器思索，可选择低噪声的宽带运放，如OPA642、AD818。同时在作品制造过程中，采用同轴电缆传输信号、采用屏蔽盒，数字地和模拟地分别且严厉一点接地，尽量采用引线短的元器件，如贴片封装等措施。例一宽带放大器〔2003年〕这样，放大器的主要部分设计完成。从该设计过程可以感遭到，放大器的输入与输出电路，如采用分立器件设计，不但复杂，性能也普通。而假设选择适用的集成芯片，会收到事半功倍的效果。下面会看到，在09年宽带直流放大器设计过程中，这种情况更加明显。例一宽带放大器〔2003年〕一、义务：设计并制造一个宽带直流放大器及所用的直流稳压电源。二、要求〔1〕最大电压增益AV≥60dB，输入电压有效值Vi≤10mV。〔2〕在AV＝60dB时，输出噪声电压的峰－峰值VONPP≤0.3V。〔3〕3dB通频带0～10MHz；在0～9MHz通带内增益起伏≤1dB。〔4〕最大输出电压正弦波有效值Vo≥10V，输出信号波形无明显失真。〔5〕放大器的输入电阻≥50，负载电阻〔50±2〕。〔6〕电压增益AV可预置并显示，预置范围为0～60dB，步距为5dB〔也可以延续调理〕；放大器的带宽可预置并显示〔至少5MHz、10MHz两点〕。〔7〕其他〔例如改善放大器性能的其它措施等〕。例二宽带直流放大器〔2021年〕该题明显比03年的宽带放大器提高了要求，一是带宽提高到了0-10MHz，且是直流放大器。二是对输出电压幅度和带负载才干提出新的要求。其中带宽和增益可调的目的可采用03年的方法，选择宽带增益可控运算放大器实现。该题主要需求关注的是在50Ω负载条件下，输出电压到达有效值10V〔输出功率到达了2W〕、带宽预置和直流调零。例二宽带直流放大器〔2021年〕根据题意，该系统应包括可调增益放大、程控滤波、功率放大和电源等几部分。其中，增益可调放大功能可参考03年宽带放大器的思绪，采用AD603、AD818等增益可控集成运放。由于该放大器的输入阻抗要求≥50Ω，多种运放可满足要求，仅需求在输入端做好阻抗匹配即可。例二宽带直流放大器〔2021年〕另外，该放大器输出功率到达了2W，峰值电流到达280mA以上。可以采用分立器件构胜利率放大器，但是难度较大。又由于许多单片集成芯片最大输出电流在200mA左右，不能满足要求。所以在09年竞赛中，根本上是采用集成电路芯片并联扩流的方式实现宽带功率放大。带宽预置功能由继电器切换低通滤波器实现。例二宽带直流放大器〔2021年〕设计直流放大器，需求思索运放直流零点漂移补偿。例二宽带直流放大器〔2021年〕VinDAC输出廖艳闺，唐晓庆，李刚，电子制造2021年12期从2021年开场，大学生电子设计竞赛添加了“综合测评〞环节，参与对象为赛区引荐报全国评奖的优秀参赛队，并在各赛区以封锁方式进展。测试标题与评分规范由全国专家组担任一致制定，并委托各赛区在当地组织，赛区专家组完成相应测试任务。全国专家组将排遣专家参与综合测评。“综合测评〞采用设计制造方式，其成果按比例计入评审总分。运用一片通用四运放芯片LM324组成图1所示电路框图，实现下述功能：运用低频信号源产生的正弦波信号，加至加法器的输入端，加法器的另一输入端参与由自制振荡器产生的信号uo1，uo1如图２所示，T1=0.5ms，允许T1有±5%的误差。图中要求加法器的输出电压ui2=10ui1+uo1。ui2经选频滤波器滤除uo1频率分量，选出f0信号为uo2，uo2为峰峰值等于9V的正弦信号，用示波器察看无明显失真。uo2信号再经比较器后在1kΩ负载上得到峰峰值为2V的输出电压uo3。电源只能选用+12V和+5V两种单电源，由稳压电源供应。不得运用额外电源和其它型号运算放大器。要求预留ui1、ui2、uo1、uo2和uo3的测试端子。例三集成运算放大器运用〔2021年〕例三集成运算放大器运用例三集成运算放大器运用该标题的考核点：怎样利用四只运算放大器构建框图所示电路。2.采用单电源供电运放处置正弦波信号。例三集成运算放大器运用分析与设计通常三角波发生电路需求两只运放，加法器、比较器和滤波器各用一只运放，共需5只运放，但标题仅允许运用4只运放。必需寻觅节省一只运放的方案。分析发现，三角波发生器的目的要求不严厉，可以采用一只运放产生方波信号，然后利用无源积分器电路实现三角波信号。例三集成运算放大器运用例三集成运算放大器运用09年制造较好的参赛队均采用该种方案。对于单电源运放处置正弦波信号，可经过在输入端加偏置电路的方法处理。例三集成运算放大器运用怎样预备综合测评？请留意以下情况：1.综合测评的时间是7个小时左右。该时间限制了作品的复杂度与规模。2.测评期间不允许上网，资料资源有限，限制了作品的知识覆盖面和器件覆盖面。3.考核对象是大本三年级的学生，知识面和技艺程度有限。几点领会与建议因此，我个人以为综合测评涉及的知识是根底的；运用的元器件应是根本、通用的〔学生比较熟习〕；出题应偏重根底知识、根本技艺和电路设计技巧的结合。所以要重点关